КРИВАЯ ОТОПЛЕНИЯ: ЧТО ЭТО ТАКОЕ, КАК ДЕЛАЕТСЯ, ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Кривая нагрева является графическим представлением того , как температура образца изменяется в зависимости от времени, поддержание постоянного давления и добавление тепла равномерно, то есть, с постоянной скоростью.

Чтобы построить график этого типа, берутся пары значений температуры и времени, которые позже строятся путем нанесения температуры на вертикальную ось (ордината) и времени на горизонтальную ось (абсцисса).

Рис. 1. Кривая нагрева вещества получается путем добавления тепла и измерения температуры через каждый определенный интервал времени. Источник: Pixabay.

Затем к этим экспериментальным точкам подгоняют наиболее подходящую кривую и, наконец, получают график зависимости температуры T от времени t: T (t).

Что такое кривая нагрева?

При нагревании вещество последовательно проходит через различные состояния: из твердого состояния оно может стать паром, почти всегда переходя через жидкое состояние. Эти процессы называются изменениями состояния, при которых образец увеличивает свою внутреннюю энергию при добавлении тепла, как указывает молекулярно-кинетическая теория.

При добавлении тепла к образцу есть две возможности:

- Вещество увеличивает свою температуру, поскольку его частицы перемешиваются с большей интенсивностью.

- Материал претерпевает фазовый переход, при котором температура остается постоянной. Добавление тепла в некоторой степени ослабляет силы, удерживающие частицы вместе, поэтому, например, легко перейти от льда к жидкой воде.

На рисунке 2 показаны четыре состояния материи: твердое, жидкое, газовое и плазменное, а также названия процессов, которые позволяют переходить между ними. Стрелки указывают направление процесса.

Рис. 2. Состояния материи и процессы, необходимые для перехода между одним и другим. Источник: Wikimedia Commons.

-Состояние изменения в веществе

Начиная с образца в твердом состоянии, когда он плавится, он переходит в жидкое состояние, когда он испаряется, он превращается в газ, а в результате ионизации он превращается в плазму.

Твердое вещество можно преобразовать непосредственно в газ с помощью процесса, известного как сублимация. Есть вещества, которые легко сублимируются при комнатной температуре. Наиболее известны CO ₂ или сухой лед, а также нафталин и йод.

Пока образец претерпевает изменение состояния, температура остается постоянной, пока он не достигнет нового состояния. Это означает, что если, например, у вас есть часть жидкой воды, которая достигла точки кипения, ее температура остается постоянной, пока вся вода не превратится в пар.

По этой причине ожидается, что кривая потепления будет состоять из комбинации увеличивающихся участков и горизонтальных участков, где последние соответствуют фазовым изменениям. Одна из этих кривых показана на рисунке 3 для данного вещества.

Рис. 3. Кривая нагрева данного вещества с типичной конфигурацией, основанной на ступенях и наклонах.

Интерпретация кривой нагрева

В интервалах роста ab, cd и ef вещество находится в твердом, жидком и газообразном состоянии соответственно. В этих областях увеличивается кинетическая энергия, а вместе с ней и температура.

В то время как в bc он меняет свое состояние с твердого на жидкое, поэтому две фазы сосуществуют. Это происходит на участке, в котором образец переходит с жидкости на газ. Здесь потенциальная энергия меняется, а температура остается постоянной.

Возможна также обратная процедура, то есть образец может охлаждаться для последовательного перехода в другие состояния. В этом случае мы говорим о кривой охлаждения.

Кривые нагрева имеют одинаковый общий вид для всех веществ, хотя, конечно, не имеют одинаковых числовых значений. Некоторым веществам требуется больше времени для изменения состояния, чем другим, они плавятся и испаряются при разных температурах.

Эти точки называются, соответственно, точкой плавления и точкой кипения и являются характеристиками каждого вещества.

Вот почему кривые нагрева очень полезны, поскольку они показывают числовые значения этих температур для миллионов веществ, которые существуют в виде твердых и жидких веществ в диапазоне температур, считающихся нормальными, и при атмосферном давлении.

Как сделать кривую разминки?

В принципе, это очень просто: просто поместите образец вещества в емкость, снабженную мешалкой, вставьте термометр и равномерно нагрейте.

Одновременно в начале процедуры включается секундомер, и время от времени регистрируются соответствующие пары температура-время.

Источником тепла может быть газовая горелка с хорошей скоростью нагрева или электрическое сопротивление, выделяющее тепло при нагревании, которое может быть подключено к регулируемому источнику для достижения различной мощности.

Для большей точности в химической лаборатории широко используются два метода:

- Дифференциальный термический анализ.

- Дифференциальная сканирующая калориметрия.

Они сравнивают разницу температур между исследуемым образцом и другим эталонным образцом с высокой температурой плавления, почти всегда это оксид алюминия. С помощью этих методов легко определить точки плавления и кипения.

Примеры (вода, утюг …)

Рассмотрим кривые нагрева воды и железа, показанные на рисунке. Шкала времени не показана, однако сразу же можно различить температуры плавления для обоих веществ, которые соответствуют точке B на каждом графике: для воды 0 º C, для железа 1500 º C.

Рисунок 4. Кривые нагрева воды и железа.

Вода - универсальное вещество, и диапазон температур, необходимый для наблюдения за изменением ее состояния, легко достичь в лаборатории. Для железа требуются гораздо более высокие температуры, но, как отмечалось выше, форма графика существенно не меняется.

Тающий лед

При нагревании образца льда, согласно графику, мы находимся в точке А при температуре ниже 0 ° C. Наблюдается, что температура увеличивается с постоянной скоростью, пока не достигнет 0 ° C.

Молекулы воды внутри льда колеблются с большей амплитудой. По достижении температуры плавления (точка B) молекулы уже могут двигаться друг перед другом.

Поступающая энергия вкладывается в уменьшение силы притяжения между молекулами, поэтому температура между B и C остается постоянной, пока весь лед не растает.

Превращая воду в пар

Когда вода полностью переходит в жидкое состояние, колебания молекул снова усиливаются, и температура быстро увеличивается между C и D до точки кипения 100 ° C. Между D и E температура остается на этом значении, пока Поступающая энергия гарантирует, что вся вода в контейнере испарится.

Если весь водяной пар может содержаться в контейнере, он может продолжать нагреваться от точки E до точки F, предел которой не показан на графике.

Образец железа может претерпеть те же изменения. Однако, учитывая характер материала, диапазоны температур сильно различаются.

Ссылки

1. Аткинс, П. Принципы химии: Пути открытий. От редакции Médica Panamericana. 219-221.
2. Чанг, П. Кривые нагрева. Получено с: chem.libretexts.org.
3. Кривые нагрева. Теплота плавления и испарения. Получено с: wikipremed.com.
4. Хьюитт, Пол. 2012. Концептуальная физика. Пятые. Эд Пирсон. 174-180.
5. Университет Вальядолида. Ученая степень в области химии, получено с lodging.uva.es.